大连相干光源如给分子“拍电影”？丨探微之光

在辽宁省大连市长兴岛经济技术开发区，坐落着一台会“发光”的大科学装置——大连相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全称为“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”。它不仅是我国第一台自由电子激光大型用户装置，也是世界上唯一能够在极紫外波段（Extreme Ultra-violet，EUV，50~150 nm）工作的自由电子激光装置，更是世界上最亮的极紫外光源。

什么是自由电子激光？

在科学实验中，光源是探测探测微观世界的重要工具。然而，当研究的分子浓度极低，或其变化过程转瞬即逝时，常规光源由于其亮度和时间分辨率不足，难以实现有效的探测与解析。为此，必须借助具备高亮度与超短脉冲特性的先进光源，才能在原子与分子尺度上，对物理、化学、生物等研究领域中的超快动力学过程开展精确、实时的实验研究。

自由电子激光正是为解决这一问题而生的先进光源。它兼具高亮度、高相干性、波长可调、超短脉冲等独特优势。与普通光源不同，自由电子激光没有灯丝；与传统激光器不同，自由电子激光也没有用于产生增益的晶体。

其核心工作原理是：利用高能电子束在周期性磁场中发生的“扭摆运动”辐射出光场，辐射出的光场进而作用于电子产生以光波长为周期的“队列”结构，这种“队列”结构进一步通过强相干辐射的方式最终形成具有高亮度和高相干性的光束。

得益于这一原理，自由电子激光能够产生从红外到X射线波段的优质激光，从而成为支撑化学、物理学、生命科学及材料科学等领域前沿研究的强大平台。

DCLS为什么选择自由电子激光方案？

在极紫外波段，传统激光器面临一个根本性难题：缺乏高反射率镜子。当激光在谐振腔内往返传播时，能量会迅速损耗，导致激光器无法有效运行，更无法产生高亮度的极紫外光。尽管高次谐波产生技术也能产生极紫外光，但其谐波转换效率较低，所产生光的亮度仍显不足。

自由电子激光则另辟蹊径。它具有高增益特性，工作机制不依赖反射镜，仅需让电子束单次通过周期性磁场，就能产生超高亮度的极紫外激光。因此，DCLS采用该方案，成功获得了兼具超短脉冲与超高亮度的极紫外光源。

DCLS 产生的每个激光脉冲都无比强大，能携带超过 100 万亿个光子，其波长在极紫外区域可实现完全连续调谐，并具备优异的相干特性。此外，在时间分辨率上，DCLS 还能够提供飞秒至皮秒量级的时间分辨率。正因如此，中国科学院上海应用物理研究所所长赵振堂院士曾形象地指出，DCLS 如同一台能够为分子“拍摄电影”的高速摄像机——其亮度极高、脉冲持续时间极短，足以清晰捕捉化学键断裂与形成的瞬态过程，从而显著提升了人类探测物质内部结构动态演变的能力。

DCLS如何大显身手？

这台“分子摄像机”不仅在基础科学研究中表现出色，更在多个与国计民生紧密相关的领域大显身手。

DCLS在能源研究领域的突出应用：近年来，全球气候变化日益严峻，碳排放问题已成为全世界共同面临的挑战。推动能源高效利用和减少污染排放量是我国实现碳达峰、碳中和（简称“双碳”）目标的关键。全球90%以上的能源来自燃烧，其中化石燃料占据主导地位。这一过程产生了大量的温室气体（如二氧化碳，CO2），加剧了气候变化。

在此背景下，如何将二氧化碳高效转化为有用资源，成为科学研究的热点与难点。大连相干光源（DCLS）发出的极紫外自由电子激光，就像一束超亮的“显微探针”，能够在反应发生的过程中，实时探测和捕捉二氧化碳转化时的关键中间物种，从而帮助科学家们从微观层面理解二氧化碳的转化机理。这一认知突破，将为开发高效、清洁的二氧化碳资源化利用技术提供至关重要的科学依据。

DCLS在空气污染综合防治领域的突出应用：雾霾是人们最关心的大气污染之一，它不仅危害健康，还影响经济与生活质量。雾霾治理的关键在于弄清其形成机制。科学研究表明，空气中的污染分子（如二氧化硫SO₂、氮氧化物NOx、挥发性有机物VOC等）会与水和氧气反应，逐渐聚集成微小的“分子团簇”，这些团簇不断长大，就会形成雾霾。DCLS的极紫外自由电子激光可以像“放大镜”一样，精确测量这些分子团簇的结构和动态变化，揭示雾霾从分子尺度“从小到大”的完整历程。这些发现有助于从源头理解并治理雾霾，为大气污染防治提供科学依据。

DCLS在生物医药领域的突出应用：生命活动依赖于复杂的生物大分子，比如蛋白质和核酸。要理解它们的功能，必须知道它们的结构和动态变化。传统研究方法如质谱分析，由于只能直接分析比较小的片段，因此研究大分子时需要先把它们切成小段，这一过程直接导致很多关于变体和分子相互作用的重要信息丢失。DCLS的极紫外自由电子激光则提供了一条新路径，它能够直接激发分子量大于30000道尔顿的生物大分子，并产生更丰富的骨架和序列信息。同时，DCLS具备飞秒到皮秒级的超快时间分辨能力，能够在分子解体前捕捉其构象变化和相互作用，就像为科学家们提供了一台“超高速摄像机”，记录下生命分子在微观尺度的演变。这对药物设计、疾病机制研究都具有重要价值。

这台位于渤海之滨的大科学装置，不仅是我国在先进光源领域实现跨越式发展的标志，更已成为推动原始创新、解决能源环境与生命健康等领域关键问题的强大平台。随着更多科学实验的开展，大连相干光源必将为人类认识世界、改造世界提供更多新的可能，在中国迈向世界科技强国的征程中，持续闪耀其独特而重要的光芒。

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会会员、博士）

监制：中国科普博览